QUIMICA ANALITICA CUALITATIVA

QUÍMICA INORGANICA Y CUALITATIVA EAP ING.METALURGICA UNMSM

12. QUIMICA ANALITICA CUALITATIVA

El análisis cualitativo tiene por objeto identificar especies químicas (cationes, aniones,

elementos o moléculas) mediante el método de las reacciones químicas.

ANÁLISIS DE CATIONES

Para identificar los cationes más comunes se clasifican en cinco grupos de acuerdo a las

propiedades de reacción con un reactivo selectivo.

ANÁLISIS SISTEMATICO

Es un esquema estándar de análisis para separar grupos sucesivos de cationes presentes en

una solución por precipitación.

La concentración de los reactivos y el pH de las soluciones se ajusta de tal forma que solo un

grupo de cationes se vea afectado por un agente precipitante.

El grupo precipitado se separa de la solución por centrifugación.

Dentro de un grupo determinado, los cationes se separan y se identifican mediante reacciones

químicas selectivas.

GRUPO CATIONES REACTIVO CARACTERISTICO

PROPIEDAD

I Ag1+ Pb2+ Hg2+2 HCL 6M Cloruros insolubles

II Cu2+ Bi3+ Cd2+ Hg2+

Pb+2 As3+ Sb3+ Sn4+H2S

pH = 0.5Sulfuros insolubles en

medio acido

III Mn2+ Fe2+ Co2+ Ni2+

Al3+ Cr3+ Zn2+H2S

pH = 9Sulfuros insolubles en

medio básico

IV Ba2+ Ca2+ Sr2+ (NH4)2CO3pH = 9.5

Carbonatos insolubles en medio controlado

V Na1+ K1+ Mg2+ NH41+ No tienen reactivo general

Todas sus sales solubles

Luis Puente [email protected] 1


PRODUCTO DE SOLUBILIDAD(Kps)Toda reacción química esta asociada a una constante de equilibrio. En el caso de sistemas sólido - solución saturada, la constante de equilibrio queda solo determinada por el producto de las concentraciones de los iones en solución y se denomina constante del producto de solubilidad. Ejemplo: AgCl(s) ---- Ag1+ + Cl1- Kps = [Ag1+ ] x [Cl1- ]

Aplicaciones del producto de solubilidad1. En la formación de precipitadosEn una reacción la combinación catión - anión precipitara hasta que el producto de las concentraciones de los iones que queda en solución sea igual al valor del Kps.Ejemplo: A una solución que contiene iones Pb2+ se agrega HCL, se formara el precipitado PbCl2 solo cuando se sobrepase el valor del Kps PbCl2.

2. En la disolución de precipitadosCuando el producto de las concentraciones de dos iones en una solución es menor que el Kps, la solución no estará saturada.Ejemplo: Al agregar HCl a un hidróxido, los iones H1+ del ácido fuerte consumen los OH- del sólido disminuyendo la concentración de iones OH- con lo cual el hidróxido sólido se disuelve.

3. En evitar precipitacionesCuando se quiere prevenir que una sal ligeramente soluble precipite, se debe agregar alguna sustancia que mantenga la concentración de los iones tan baja que no alcance el valor del Kps de la sal.Ejemplo: Una solución que contiene iones Fe2+ en medio fuertemente ácido en contacto con H2S(g) no precipitara FeS, pues la elevada concentración de iones H1+ evita la ionización del H2S (efecto del ion común) que los iones S2- no alcancen el valor del Kps del FeS

OTRAS REACCIONES EN ANÁLISIS CUALITATIVOSon frecuentes las reacciones para ajustar el pH de una solución antes de separar un grupo decationes de otro.Se puede también oxidar o reducir un catión para separarlo. Y comúnmente se puede formar o descomponer un ion complejo mediante un agenteacomplejante como por ejemplo el amoniaco (NH3), el ion OH - y otros que tengan electrones

(ligando) para donar.



ANÁLISIS SISTEMATICO DE CATIONES

A partir de una solución que contiene cationes de todos los grupos:

1. Los cationes del grupo I precipitan, agregando HCL 6M, como cloruros de color blanco: AgCl, PbCl2 y Hg2Cl2.

2. Para separar los iones del grupo II de la solución ácida del paso 1(acidez pH = 0,5) se debe saturar con gas sulfuro de hidrogeno H2S que produce la precipitación de estos iones como sulfuros de colores característicos: HgS, PbS, Bi2S3, CuS, CdS, As2S3, Sb2S3, SnS2.

3. La separación de los iones del grupo III a partir de la solución del paso2. se debe ajustar el pH hasta ser básico con solución de amoniaco y luego saturar con gas H2S.Precipitan los sulfuros: FeS, CoS, NiS de color negro. El MnS de color rosa pálido y el ZnS de

color blanco.El aluminio y el cromo precipitan como hidróxidos: Al(OH)3 blanco gel y Cr(OH)3 verde.

4. Para separar cationes del grupo IV de la solución del paso3 se debe ajustar el pH a 9,5 mediante amoniaco y cloruro de amonio, luego con carbonato de amonio (NH4)2CO3 precipitan CaCO3, BaCO3 y SrCO3 de color blanco. Puede precipitar MgCO3 en menor grado pues es soluble.

5. La solución resultante del paso 4 debe contener los iones incoloros de K+, Na+, Mg2+ y el ion amonio NH4+ que se presenta por ser componente de reactivos antes agregados. Los cationes sodio y potasio se determinan por ensayos a la llama: El ion Na+ da un color amarillo intenso y el K+ da color violeta débil.



ANÁLISIS SISTEMATICO DE CATIONES

DIAGRAMA DEL ANÁLISIS SISTEMATICO DE CATIONES

Solución que contiene cationes de los 5 grupos

HCl

Solución Precipitado

Cationes Grupos II, III, IV y V Cloruros AgCL, PbCl2 y Hg2Cl2

H2S en medio ácido

Solución Precipitado Cationes Grupos III, IV y V Sulfuros de

cationes grupo II

H2S en medio básico


Cationes Grupos IV y V Sulfuros de cationes grupo III

(NH4)CO3 a pH = 9


Cationes del Grupo V Carbonatos de cationesgrupo IV



CATIONES DEL GRUPO 1

ANÁLISIS SISTEMATICOEl fundamento para separar cada catión de una solución que contenga estos iones incoloros se basa en las siguientes propiedades:

1. Todos precipitan con HCL como cloruros de color blanco, un exceso de iones Cl- puede solubilizar AgCl y formar un ion complejo:

AgCl + Cl- --- AgCl2- 2. Según los valores de producto de solubilidad a 25oC Kps

AgCl 1x10-10 PbCl2 2,4 x 10-4 Hg2Cl2 1x10-18

Se observa que el PbCl2 presenta un valor de Kps muy grande relativo a los otros, por lo tantoel ion plomo Pb2+ no precipita totalmente en este grupo.

3.Separación del plomoDe una mezcla sólida de cloruros se puede separar PbCl2aprovechando que este es soluble en agua caliente y filtrando en caliente se tendrá una solución de PbCl2 que puede identificarse mediante cromato de potasio que reacciona formando un precipitado amarillo de cromato de plomo PbCrO4.

4. Separación Plata- Mercurio(I).- El AgCl es soluble en amoniaco y forma el complejo amoniacal: cloro-diamin-argento incoloro.

AgCl(s) + NH3(aq) ---- Ag(NH3)2Cl(aq) Por su parte el Hg(I) como precipitado Hg2Cl2 reacciona con el amoniaco formando unamezcla sólida de: mercurio metal Hgo (negro) y HgNH2Cl (blanco) característica que identifica al mercurio.



CATIONES GRUPO I

Diagrama del análisis sistemático

Solución que contiene Ag+ , Pb2+ y Hg22+

HCl

precipitado cloruros: AgCl, PbCl2, Hg2Cl2

H2O + calor

precipitado AgCl, Hg2Cl2 Solución Pb2+ + Cl-

NH4OH K2CrO4

precipitado solución PbCrO4 Hgo, HgNH2Cl Ag(NH3)2+ + Cl- amarillo negro-blanco HNO3

AgClblanco



CATIONES DEL GRUPO II

Análisis sistemático para la separación e identificación de cada catión.

1. El agente precipitante es H2S en medio ácido Hcl (también puede ser Na2S).Si existen iones nitrato NO3- deben eliminarse hirviendo la solución(nitratos oxidan a lossulfuros que precipitan como azufre que contaminaría el precipitado). Además si existen iones Sn(II) deben oxidarse con H2O2 a Sn(IV) para precipitación completa.

2. Separación de los subgrupos del cobre y del estaño Se fundamenta en la naturaleza anfoterica de los sulfuros de Arsénico, Antimonio y de

estaño que en medio fuertemente básico(NaOH + Na2S) forman iones complejos solubles. El medio además disuelve al HgS.

A su vez los sulfuros de plomo, bismuto, cobre y de cadmio permanecen insolubles.

3. Separación del plomo del Bismuto, Cobre y del CadmioLos sulfuros de estos elementos son solubles en ácido nítrico.

Posterior adición de ácido sulfúrico provoca la precipitación de PbSO4 blancoinsoluble(diferencia con sulfatos de Bi, Cu y Cd que permanecen solubles).

4. Separación del Bismuto del Cobre y Cadmio Los iones cobre y Cadmio forman complejos solubles con el amoniaco. No así el Bismuto que

precipita como hidróxido blanco Bi(OH)3.

5. Cobre.- El color azul del complejo amoniacal indica presencia de cobre y se confirma por reacción con ferrocianuro de potasio K4Fe(CN)6 en medio ácido (ácido acético) y precipita Cu2Fe(CN)6 de color rojo.

6. Cadmio.- Se puede determinar en presencia de cobre utilizando cianuro de potasio KCN (forma K2Cd(CN)4 soluble) y con iones sulfuro precipita CdS amarillo.

7. Subgrupo del Estaño.- Los iones complejos de As, Sb, Sn y de Hg(II) formados anteriormente precipitan como sulfuros con HCL + Na2S.

Estos sulfuros son solubles en HCL concentrado, excepto el HgS, As2S3

8. Separación del Mercurio del Arsénico .- Agregando amoniaco, el HgS permanece insoluble como un precipitado negro. El sulfuro de arsénico es soluble en amoniaco 3M y para identificar es necesario agregar HNO3 1M y con los iones sulfuro del medio precipita como As2S3 amarillo.

9. Separación del Antimonio del Estaño.- Regulando el medio con NaOH y Hcl se puede separar Antimonio por reducción con aluminio( también con hierro) y precipita Sbo negro. El estaño se reduce a Sn2+.

Para confirmar estaño se procede en forma indirecta agregando cloruro mercúrico HgCl2 (a otra porción de la solución) que se reduce a Hg2Cl2 blanco gris por efecto del ion Sn2+



DIAGRAMA DEL ANÁLISIS SISTEMATICO CATIONES GRUPO II

Pb2+, Bi3+, Cu2+, Cd2+, Hg2+, As3+, Sb3+, Sn4+

Hcl + H2O2 + H2S (o Na2S 1M)

precipitado solución(descartar)

PbS, Bi2S3, CuS, CdS, HgS, As2S3, Sb2S3, SnS2 NaOH 6M + Na2S 1M

Precipitado (subgrupo Cu) solución (subgrupo Sn)

PbS, Bi2S3, CuS, CdS HgS22- AsS2

- SbS2- SnS3

2-

HNO3 6M Hcl 6M + Na2S 1M en frío H2SO4 precipitado: HgS, As2S3, Sb2S3 , SnS2

precipitado solución Hcl 12M

PbSO4 nitratos Bi, Cu, Cd Blanco precipitado(*) solución NH4OH

HgS SbCl63- SnCl6

2- precipitado solución Negro Bi(OH)3

Blanco Cu(NH3)42+ Cd(NH3)4

2+ Fe° Feo

HC2H3O2 KCN K4Fe(CN)6 Na2S

HgCl2

Cu2Fe(CN)6 CdS Sb° Hg2Cl2

Rojo Amarillo Negro Gris

(*) El sulfuro As2S3 es insoluble en Hcl, pero se diferencia del HgS por ser soluble en amoniaco que reprecipitara en medio HNO3 diluido y los iones sulfuro existentes como As2S3 amarillo



CATIONES GRUPO III

Fundamentos para el Análisis Sistemático de los cationes del grupo III

1. Precipitan como sulfuros en medio básico moderado(NH4OH) los cationes: Mn2+, Fe2+, Ni2+, Co2+, Zn2+ con H2S(o Na2S) y como hidróxidos en presencia de NH4Cl los cationes: Fe3+, Al3+

y Cr3+ ; El medio es realmente una solución reguladora que controla la formación de iones OH- para precipitar los hidróxidos. Los iones Fe3+ se reducen con S2- en el medio básico para precipitar como FeS. Estos precipitados se disuelven con Hcl y los poco solubles con HNO3.

2. Separación de los subgrupos: del Niquel(Mn, Fe, Co y Ni) y del aluminio(Al, Cr y Zn).- Se fundamenta en precipitar con una base fuerte(KOH) a todos como hidróxidos pero con exceso de reactivo los hidróxidos anfoteros de Al, Cr y Zn forman iones complejos solubles. Adicionando H2O2 se oxida Cr3+ a CrO4

2- mas soluble y también se oxida Mn2+ a MnO2 menos soluble.

3. Separación del Manganeso del Fe,Co y Ni.- De una solución que contenga estos iones, el Mn2+ forma MnO2 insoluble con clorato de potasio KClO3 en medio ácido(HNO3) y aun puede oxidarse mas con bismutato de sodio (NaBiO3) hasta permanganato de color púrpura característico.

4. Separación del hierro del Ni y Co.- En solución el cobalto y niquel forman iones complejos solubles con exceso de NH4OH de color característico. El hierro forma un precipitado rojo-ladrillo de Fe(OH)3. Se puede confirmar hierro mediante ferrocianuro de potasio que forma un precipitado azul.

5. Separación del Aluminio del Cr y Zn.- Se separa como hidróxido a partir de una solución regulada de acetato de amonio(NH4C2H3O2) con ácido acético (HC2H3O2) e hidróxido de amonio(NH4OH) para alcanzar el Kps del Al(OH)3 precipitado blanco-gel.

6. Separación del Cromo y Zinc.- En esta secuencia el cromo esta como cromato CrO42- (color

solución amarilla) en medio ácido acético y por adición de acetato de bario precipita como cromato de bario(amarillo).

El zinc que se encuentra como complejo amoniacal Zn(NH3)42+ requiere ácido acético para

estar como Zn2+ y por adición de Na2S precipitara ZnS blanco. Pero también se puede confirmar con otra alicuota de Zn2+ y ferrocianuro de potasio que

formara un precipitado blanco verdoso de K2Zn3[Fe(CN)6]2.



DIAGRAMA DEL ANÁLISIS SISTEMATICO CATIONES GRUPO III

Mn2+, Fe2+, Fe3+, Co2+, Ni2+, Al3+, Cr3+, Zn2+

NH4Cl saturado

NH4OH + Na2S

Sulfuros: MnS, FeS, CoS, NiS, ZnS

Hidróxidos: Fe(OH)3, Al(OH)3, Cr(OH)3

solubilizar con Hcl (si persisten sólidos agregar HNO3)

+ H2O2 al 3% + KOH

Precipitado (subgrupo Ni) solución (subgrupo Al)

Mn(OH)2, Fe(OH)3, Ni(OH)2, Co(OH)3 AlO2- , ZnO2

- , CrO42-

solubilizar con Hcl NH4C2H3O2 sat.

KCLO3 HC2H3O2 3M

Precipitado solución NH4OH 3M

precipitado solución

MnO2 Fe3+, Co2+, Ni2+

Al(OH)3 CrO42- , Zn(NH3)4

2+

+Hcl NH4(OH) blanco gel

NaBiO3 precipitado solución Ba(C2H3O2)2

precipitado solución

MnO4 - Fe(OH)3 Ni(NH3)62+

Púrpura Rojo Verde BaCrO4 Zn(NH3)4 2+

Amarillo + HAc.

+Na2S

ZnS Blanco



ANÁLISIS DE ANIONES

El análisis de aniones en una muestra se realiza después del análisis de los cationes que indicarían indirectamente la ausencia de muchos aniones.El análisis de aniones no es tan completo ni sistemático como el de cationes.

Se consideran los siguientes grupos de aniones (según Brumblay)

1 carbonato CO3-2 , Sulfuro S-2

2 sulfato SO4-2 , sulfito SO3

-2 , Cromato CrO4-2 , oxalato C2O4

-2 , fosfato PO4-3

3 yoduro I-1 , tiocianato o sulfocianuro SCN-1 ,Bromuro Br-1, cloruro Cl-1

4 Acetato C2H3O2-1 , nitrito NO2

-1 , nitrato NO3-1,Arseniato AsO4

-3 , arsenito AsO2-1

Otros aniones importantes: cianuro CN-1 Cianato OCN-1 Tiosulfato S2O3

-2 Dicromato Cr2O7

-2 Hipoclorito ClO-1

Clorato ClO3-1

Permanganato MnO4-1


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